(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップを内部に収容する収容ケースと、
前記半導体チップの上面に一端が接続された接続端子と、
前記収容ケースの内部に充填されて前記半導体チップ及び前記接続端子を埋設する封止層と、
前記封止層の上部に、前記封止層の材料よりも高い伝熱性を有する材料を用いて設けられ、前記接続端子と熱的に接続された蓋材と、を有し、
前記接続端子と前記蓋材との間に両者に当接して設けられた絶縁性を有する熱伝導層を有し、
前記接続端子が帯状であり、前記熱伝導層と帯面で当接しており、
前記接続端子を複数有し、
前記熱伝導層は、前記複数の接続端子にまたがって当接しており、
前記収容ケースの内壁に凹部が設けられ、前記蓋材が前記凹部に嵌合しており、
前記凹部は、前記内壁に沿って前記収容ケースの内部を囲むように連続する帯状のものであり、
前記蓋材は、貫通孔が設けられるとともに、前記凹部の全体に嵌合している半導体装置。
【請求項２】
高さ方向に湾曲または屈曲した前記接続端子を複数有し、
湾曲または屈曲した各接続端子の高さ方向の頂点位置が、いずれも等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記収容ケースは、前記半導体チップを配置する面の下側に放熱板を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
収容ケース内に半導体チップを収容した半導体装置の製造方法であって、
一端が前記半導体チップ上にハンダ付けされた接続端子に、絶縁性を有する形成材料を用いて前記接続端子に当接した熱伝導層を設ける工程と、
貫通孔を有する蓋材を、前記貫通孔が前記熱伝導層と平面的に重ならない位置となるように前記熱伝導層の上部に当接させて配置する工程と、
前記貫通孔を介して、前記収容ケースと前記蓋材とに囲まれた空間に封止材を充填する工程と、を有し、
前記収容ケースには、内壁に沿って前記収容ケースの内部を囲むように連続する帯状の凹部が設けられ、
前記蓋材を配置する工程では、前記蓋材を前記熱伝導層に当接させながら前記接続端子を押し下げることで、前記熱伝導層と前記蓋材とを密着させ、前記凹部の全体に前記蓋材を嵌合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置には、半導体チップを収容するケース内に半導体チップを搭載し、半導体チップとケースの内面に露出する接続端子の端子面とを電気的に接続しているものがある（例えば、特許文献１から４参照）。これらの半導体装置では、ケース内部にゲル状樹脂（封止材）を充填して、収容する半導体チップや導通に用いる接続端子（ワイヤ）等を埋設することで、ケース内の収容物を保護している。
【０００３】
また、半導体チップは、使用時の発熱による故障を抑制するため放熱を行う必要がある。そのため、下記の特許文献１から４では、収容ケースの底面が、熱伝導を促進する金属で形成されており、半導体チップで生じる熱を放熱する放熱板として利用し、放熱を行う構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１４２９４号公報
【特許文献２】特開平１１−８７５６７号公報
【特許文献３】特開平９−２３２５１０号公報
【特許文献４】特開平１１−２６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の半導体装置では放熱が不十分であった。半導体装置のうち、例えば大電流を扱うパワーモジュールでは、発熱量が大きいため効率的な放熱が求められるが、上述の半導体装置では、半導体チップを搭載した収容ケース底面からの放熱が支配的となっている。これは、封止材として用いられるゲル状樹脂の熱伝導性が低く、封止材側からの効率的な放熱を行うことが困難となっているためであり、放熱効率の向上という点から改善する余地があった。
【０００６】
また、上記構成の半導体装置に対しては、信頼性試験として、急激な加熱冷却を繰り返す熱衝撃試験が実施される。この試験において半導体装置を急激に加熱すると、接続端子の接合部に亀裂が生じやすかった。特に、接続端子は通常ハンダ付けにより接続されているが、このハンダ界面に亀裂が生じやすく、求める高信頼性が得られにくかった。すなわち、樹脂材料からなる封止材の熱膨張係数が、導電性材料（金属材料）からなる接続端子よりも低いため、半導体装置を加熱すると封止材の熱膨張により接続端子の接合部に張力が加わり、亀裂が生じ易くなっていた。
【０００７】
上述の半導体装置のように放熱が不十分であると、このような接続端子の結合部の破損も生じ易くなり、さらなる装置の信頼性低下に繋がる。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、放熱効率の向上と接続端子の結合部の破損抑制とを図り、電気的な信頼性の向上を可能とする半導体装置を提供することを目的とする。また、このような半導体装置の製造方法を提供することをあわせて目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを内部に収容する収容ケースと、前記半導体チップの上面に一端が接続された接続端子と、前記収容ケースの内部に充填されて前記半導体チップ及び前記接続端子を埋設する封止層と、前記封止層の上部に、前記封止層の材料よりも高い伝熱性を有する材料を用いて設けられ、前記接続端子と熱的に接続された蓋材と、を有し、前記接続端子と前記蓋材との間に両者に当接して設けられた絶縁性を有する熱伝導層を有し、前記接続端子が帯状であり、前記熱伝導層と帯面で当接しており、前記接続端子を複数有し、前記熱伝導層は、前記複数の接続端子にまたがって当接しており、前記収容ケースの内壁に凹部が設けられ、前記蓋材が前記凹部に嵌合しており、前記凹部は、前記内壁に沿って前記収容ケースの内部を囲むように連続する帯状のものであり、前記蓋材は、貫通孔が設けられるとともに、前記凹部の全体に嵌合していることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、半導体チップで発生した熱は、接続端子を介して蓋材に伝わることとなる。蓋材は封止層よりも高い熱伝導性を有しているため、半導体チップで発生した熱が封止層を介して放熱されていた従来の構造と比べ、封止層側からの効率的な放熱を可能とし、装置全体として放熱効率を向上させることができる。
【００１１】
また、使用環境や使用発熱によって装置が加熱され、封止材の熱膨張により接続端子の接合部に張力が加わるとしても、蓋材の自重によって封止材の上から接合部に荷重が係った状態であるため、接合部における亀裂発生が抑制される。さらに、本発明の半導体装置では、上述のように放熱効率が向上しているため、封止材の熱膨張による体積変化自体を抑制することができるため、熱衝撃が抑制され、亀裂発生を抑えることができる。
【００１２】
また、この構成によれば、接続端子と蓋材との間の熱伝導を促進し放熱の効率を高めることができる。また、熱伝導層が絶縁性を有することとしているため、例えば蓋材が導電性を有している場合であっても、動作不良を起こすことなく放熱を行うことができる。
【００１３】
また、この構成によれば、熱伝導層と接続端子との接触面積が大きくなるため、効率的に熱を伝えることができ、放熱効率をより向上させることができる。
【００１４】
また、この構成によれば、複数の接合子を介して放熱することができるため、放熱効率を高めることができる。熱伝導層は絶縁性を有することとしているため、複数の接続端子にまたがって配置されていても動作不良を起こすことなく放熱を行うことができる。
【００１５】
また、封止材の体積膨張による応力が蓋材の自重を超える場合には、封止材の上に蓋材が配置されていても封止材が蓋材を押し上げ、結果として接合部に亀裂を発生させるおそれがある。しかし、この構成によれば、蓋材が収容ケースに設けられた凹部に嵌合しているため、封止材の熱膨張によって蓋材が押し上げられることなく、接合部に確実に荷重をかけ続けることができ、接合部の亀裂発生を抑制することができる。
したがって、電気的な信頼性の向上を可能とする半導体装置とすることができる。
【００１６】
本発明においては、高さ方向に湾曲または屈曲した前記接続端子を複数有し、湾曲または屈曲した各接続端子の高さ方向の頂点位置が、いずれも等しいことが望ましい。
この構成によれば、すべての接続端子を熱伝導層を介して蓋材の下面（接続端子側の面）に接触させることが容易となる。
【００１７】
本発明においては、前記収容ケースは、前記半導体チップを配置する面の下側に放熱板を有することが望ましい。
この構成によれば、封止層側からの放熱に加え、半導体チップを配置する面からの放熱も容易となり、放熱効率が高い半導体装置とすることができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、収容ケース内に半導体チップを収容した半導体装置の製造方法であって、一端が前記半導体チップ上にハンダ付けされた接続端子に、絶縁性を有する形成材料を用いて前記接続端子に当接した熱伝導層を設ける工程と、貫通孔を有する蓋材を、前記貫通孔が前記熱伝導層と平面的に重ならない位置となるように前記熱伝導層の上部に当接させて配置する工程と、前記貫通孔を介して、前記収容ケースと前記蓋材とに囲まれた空間に封止材を充填する工程と、を有し、前記収容ケースには、内壁に沿って前記収容ケースの内部を囲むように連続する帯状の凹部が設けられ、前記蓋材を配置する工程では、前記蓋材を前記熱伝導層に当接させながら前記接続端子を押し下げることで、前記熱伝導層と前記蓋材とを密着させ、前記凹部の全体に前記蓋材を嵌合させることを特徴とする。
この構成によれば、接続端子、熱伝導層、蓋材を確実に接触させた上で、予め蓋材に設けられた貫通孔から封止材を充填するため、接続端子、熱伝導層、蓋材が接触した封止構造を容易に形成することができる。
【００１９】
また、この構成によれば、封止材の充填時に封止材の流動によって蓋材が持ち上がることがない。そのため、接続端子、熱伝導層、蓋材が確実に接触した封止構造を良好に形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体装置によれば、半導体チップで発生した熱が接続端子、熱伝導層を介して蓋材に伝わる。そのため、従来の構造では困難であった封止層側からの効率的な放熱を可能とし、放熱効率を向上させることができる。
また、使用環境や使用発熱によって装置が加熱され、接続端子の接合部に張力が加わるとしても、接合部には蓋材の自重によって荷重がかかっているため、亀裂発生が抑制される。さらに、本発明の半導体装置では、上述のように放熱効率が向上しているため、熱衝撃も抑制され、亀裂発生を抑えることができる。
したがって、電気的な信頼性の向上を可能とする半導体装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１実施形態］
以下、図１〜図３を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
【００２３】
図１は、本実施形態の半導体装置１Ａの平面図であり、図２は、図１の線分Ａ−Ａにおける概略断面図である。
【００２４】
図１，２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１Ａは、半導体チップ２および半導体チップ２が配置される基板３と、これらを内部に収容する収容ケース４と、半導体チップ２に一端が接続され、上方（高さ方向）に屈曲して設けられた接続端子６と、接続端子６の上部に設けられた熱伝導層７と、熱伝導層７に接して設けられた蓋材８と、収容ケース４の内壁と蓋材８とで囲まれた空間に充填され、半導体チップ２、セラミック基板３及び接続端子６を埋設する封止層９と、を備えている。
【００２５】
基板３は、セラミックスを形成材料とする基板本体３ａと、基板本体３ａの上面に設けられた配線パターン３ｂと、を有している。図では、２つの配線パターン３ｂが形成されているものとして示しており、これらは互いに離間して形成されている。
【００２６】
収容ケース４は、上面４１ａに基板３及び半導体チップ２を順番に積層する平面視矩形板状の底壁板部４１と、底壁板部４１の上面４１ａの周縁から上方に延びて平面視矩形環状に形成された周壁部４２とを備えた箱型に形成されている。なお、収容ケース４の内部とは、底壁板部４１と周壁部１２とによって囲繞される空間部分を示している。
【００２７】
底壁板部４１は、半導体チップ２において生じる熱を外方に放熱させる放熱板としての機能を有している。底壁板部４１の形成材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン、モリブデン等のように、放熱性（熱伝導性）の高い材料を用いることができ、更に表面にＮｉメッキを施したものでもよい。底壁板部４１の外側には、更に放熱用のヒートシンクを設けることもできる。もちろん、底壁板部４１に放熱機能を持たせない構成を採用することもできる。
【００２８】
周壁部４２は、電気的な絶縁性、及び収容ケース４としての剛性を有しており、形成材料としては、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂等の樹脂材料を用いることができる。これらには、必要に応じてガラスフィラーやシリカ等の添加剤を加えることとしても良い。周壁部４２には、複数の外部接続端子５が封止されている。
【００２９】
外部接続端子５は、導電性部材を断面視Ｌ字状に屈曲させて形成されており、一端が周壁部４２内において上方に延びるように配されると共に、他端が収容ケース４の内部に露出するように配されている。
【００３０】
接続端子６は、導電性材料を用いて帯状に形成されており、半導体チップ２、配線パターン３ｂ、外部接続端子５の表面とハンダなどの接合部材と介して接続されている。これにより、半導体チップ２の上面と配線パターン３ｂ、あるいは配線パターン３ｂと外部接続端子５を電気的に接続している。
【００３１】
接続端子６の形成材料としては、通常の配線材料としてもちいる銅やアルミニウム等の金属材料を用いることができる。また、帯状の接続端子６は半導体装置１Ａの高さ方向に屈曲しており、複数の接続端子６における高さ方向の頂点位置が互いに等しくなっている。もちろん、接続端子６は湾曲していても良く、全ての接続端子６の頂点位置が同じではない構成であってもよい。
【００３２】
熱伝導層７は、複数の接続端子６の頂点位置にそれぞれ設けられている。本実施形態の半導体装置１Ａでは、各接続端子６の頂点位置がすべて等しいため、それぞれの熱伝導層７は同じ厚さに形成されている。接続端子６の頂点位置が異なる場合には、熱伝導層７の厚さを変えることにより、各接続端子６に設けられた熱伝導層７の上部での位置を良好に揃える構成とすると良い。
【００３３】
熱伝導層７の形成材料としては、絶縁性を有し且つ高熱伝導性を有する材料を採用することができ、高い熱伝導性が付与された樹脂材料が好適である。熱伝導層７の熱伝導性は、封止層９の形成材料よりも高いことが好ましい。このような材料としては、例えば、日立化成工業株式会社製の「ハイセット」を採用することができる。
【００３４】
蓋材８は、複数の熱伝導層７に接するように配置され、端部が周壁部４２の内壁に形成された凹部４３に嵌合している。凹部４３は、周壁部４２の内壁に沿って収容ケース４の内部を囲むように連続する帯状のものでもよく、また、収容ケース４の内部を囲むように設定された配列軸上に複数の凹部を形成したものでも良い。
【００３５】
複数の凹部４３を設ける場合には、蓋材８の周囲に対応する凸部を設ける必要がある。蓋材８が配置されていることにより、半導体装置１Ａの内部構造が外部から視認できないように隠すことができ、装置のデザイン性を高めることができる。
【００３６】
このような蓋材８は、封止層９の形成材料よりも高い形成材料を用いて設けられており、例えば、セラミックスや金属材料を用いることができる。蓋材８の形成材料として金属材料を選択したとしても、蓋材８に接する周壁部４２や熱伝導層７の形成材料が絶縁性を有しているため、内部の配線パターン３ｂや接続端子６と導通することはない。また、蓋材８には、複数の貫通孔８ａ（図１では４つ）が設けられている。貫通孔８ａは、収容ケース４内に蓋材８を配置した場合に、接続端子６と平面的に重ならない位置に設けられている。
【００３７】
封止層９は、電気的な絶縁性を有する高分子ゲル（封止材）を形成材料として、収容ケース４と蓋材８とで囲繞された空間を充填している。封止層９の形成材料としては、例えばシリコーンゲルが挙げられる。
【００３８】
このような構成の半導体装置１Ａでは、使用により半導体チップ２が発熱した場合における、接続端子６の接続部での亀裂発生を抑制することができる。
【００３９】
従来の半導体装置では、使用環境や使用発熱によって半導体装置が加熱されると、封止層を構成する封止材が熱膨張し、接続端子の接合部（例えばハンダ付けしている部分）に張力が加わるために、接合部に亀裂が発生しやすいという不具合があった。しかし、本実施形態の半導体装置１Ａでは、封止層９の熱膨張により接続端子６の接合部に張力が加わるとしても、蓋材８の自重、および蓋材８の凹部４３における嵌合によって、接合部に下向きの力が係った状態であるため、接合部における亀裂発生が抑制される。
【００４０】
また、半導体チップ２で発生した熱は、直接または配線パターン３ｂを介して接続端子６に伝わり、熱伝導層７を介して蓋材８に伝わることとなる。接続端子６、熱伝導層７および蓋材８は、封止層９よりも高い熱伝導性を有しているため、半導体チップ２で発生した熱が封止層９を介して放熱されていた従来の構造と比べ、効率的に放熱されることとなる。すると、封止層９側からの放熱が促進され、半導体装置１Ａ全体として放熱効率が向上することとなる。すると、封止層９の熱膨張による体積変化自体を抑制することができるため、熱衝撃が抑制され、亀裂発生を抑えることができる。
【００４１】
図３は、本実施形態の半導体装置１Ａの製造方法を示す工程図であり、図２に対応する図である。
【００４２】
まず、図３（ａ）に示すように、収容ケース４内に基板３および基板３上に実装された半導体チップ２を収容し、接続端子６を高さ方向に湾曲させて半導体チップ２と配線パターン３ｂ、配線パターン３ｂと外部接続端子５との電気的導通を行う。そして、接続端子６の頂上部付近に熱伝導層７を設ける。このとき、接続端子６の頂上部は、高さ方向の位置が収容ケース４の内壁に設けられた凹部４３の位置よりも高くなっている。
【００４３】
次いで、図３（ｂ）に示すように、収容ケース４の内壁に設けられた凹部４３に蓋材８を嵌合させ、蓋材８を配置する。接続端子６の頂上部の位置が凹部４３の位置よりも高いため、蓋材８を配置する際には、蓋材８が熱伝導層７に当接しながら接続端子６を押し下げることとなり、自然に蓋材８と熱伝導層７とが密着した状態となる。
【００４４】
次いで、図３（ｃ）に示すように、蓋材８に設けられた貫通孔８ａから、シリコーンゲルを注入し、封止層９を形成する。貫通孔８ａは複数もうけられているため、少なくとも一つの貫通孔８ａからはシリコーンゲルの注入を行わないようにして、該貫通孔８ａから注入部分の空気を抜きながらシリコーンゲルの注入を行う。
【００４５】
この際、蓋材８が凹部４３に嵌合しているため、シリコーンゲルの注入によって蓋材８が持ち上がることなく、蓋材８と熱伝導層７との密着を維持することができる。シリコーンゲルの注入が終了すると、必要に応じて貫通孔８ａを別部材で閉じ、封止層９が外気に触れないようにすることとしても良い。
本実施形態の半導体装置１Ａは、以上のようにして製造する。
【００４６】
以上のような構成の本実施形態の半導体装置１Ａでは、封止層９側からの効率的な放熱を実現するとともに、接続端子の接合部における亀裂発生を抑制し、電気的な信頼性の向上を可能とする半導体装置１Ａとすることができる。
【００４７】
また、以上のような半導体装置１Ａの製造方法では、接続端子６、熱伝導層７、蓋材８を確実に接触させた上で、予め蓋材８に設けられた貫通孔８ａから封止材を充填するため、接続端子６、熱伝導層７、蓋材８が接触した封止構造を容易に形成することができる。
【００４８】
なお、本実施形態の半導体装置１Ａでは、熱伝導層７が複数の接続端子６にそれぞれ設けられていることとしたが、これに限らず、複数の接続端子６にまたがって当接する熱伝導層を設けることとしても良い。この場合は、例えば蓋材８の封止層９に面する側の全面に熱伝導層７を設けておき、半導体チップ２と接続された複数の接続端子６に共通して熱伝導層７が接するように蓋材８を配置するようにして、半導体装置１Ａを組み立てると良い。
【００４９】
また、本実施形態の半導体装置１Ａでは、熱伝導層７を設けることとしたが、熱伝導層７を配設せずに、接続端子６と蓋材８とが接し半導体チップ２からの放熱を促進する構成であってもよい。このような構成の半導体装置は、熱伝導層７を設ける工程を除く他は、上述の製造方法と同様にして製造することができる。
【００５０】
また、本実施形態の半導体装置１Ａでは、収容ケース４から装置上方に向けて外部接続端子５が配設されている構成としたが、本発明はこのような構成の半導体装置に限るものではない。
【００５１】
図４は、本発明の変形例に係る半導体装置１Ｂの断面図である。本実施形態の半導体装置１Ｂは、第１実施形態の半導体装置１Ａと一部共通しており、異なるのは、半導体装置１Ｂが、半導体装置１Ａの外部接続端子５に代えて、基板３から底壁板部４１を貫通して装置下方に向けて外部接続端子５０が配設されている面実装タイプの半導体装置であることである。
【００５２】
半導体装置１Ｂは、複数の外部接続端子５０を有しており、各外部接続端子５０は、基板本体３ａを介して配線パターン３ｂと接続されている。このような外部接続端子５０を有する半導体装置１Ｂでは、装置下方（底壁板部４１側）で他のプリント基板等と接続する面実装が可能となっている。
【００５３】
このような構成の半導体装置１Ｂであっても、半導体チップ２で発生した熱は、接続端子６と熱伝導層７とを介して蓋材８から放熱される。そのため、封止層９側からの効率的な放熱を実現するとともに、接続端子の接合部における亀裂発生を抑制し、電気的な信頼性の向上を可能とする半導体装置１Ｂとすることができる。
【００５４】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１Ａ，１Ｂ…半導体装置、２…半導体チップ、４…収容ケース、４１…放熱板（底壁板部）、４３…凹部、６…接続端子、７…熱伝導層、８…蓋材、８ａ…貫通孔、９…封止層
【図１】
0005409344.tif 000002
【図２】
0005409344.tif 000003
【図３】
0005409344.tif 000004
【図４】
0005409344.tif 000005